Лекция № 1. ВВЕДЕНИЕ В ЭКОЛОГИЮ 3 страница

Вместе с тем созданные человеком упомянутые устройства и системы сами являются источником неблагоприятных антропо­генных экологических факторов. В условиях промышленных предприятий — это шум, вибрация, электромагнитные поля, по­вышенная или пониженная температура, опасность поражения электрическим током, загазованность и др. Для снижения воздей­ствия этих факторов на человека (им же самим и созданных) раз­работана система организационных, технических и правовых мероприятий. При невозможности обеспечения оптимального диапазона антропогенных факторов ограничивается рабочий день, рабочая неделя, трудовой возраст и т.д.

В целом для биосферы — это загрязнение атмосферы, вод­ных источников и почвы. По отношению к верхнему пределу этих факторов устойчивость организма человека мала. В соответствии с законом Шелфорда данные факторы являются лимитирующими, разрушающими экологическую нишу человека и других организ­мов. Поэтому на данном этапе развития цивилизации достаточно остро стоит вопрос сохранения экологических ниш живых орга­низмов, особенно человека. Либо ниша будет сохранена для настоящих и будущих поколений, либо человек обречен на исчезно­вение как биологический вид.

Лекция № 4. Экология популяций

Определение и структура популяций. Пространственная структура популяций. Статические и динамические показатели популяций. Продолжительность жизни. Динамика роста численности популяций. Возрастной состав популяции. Экологические стратегии выживания. Регуляция численности популяции. Взаимодействия между популяциями (положительные и отрицательные). Цели и задачи популяционной экологии.

Закон толерантности Шелфорда рассматривает действие экологического фактора на единичный организм. При изучении воздействия какого-либо фактора на группу организмов одного вида оказывается, что для каждого организма оптималь­ная область, величина толерантности и область угнетения на рис. 2 несколько различаются.

На рис. 3 приведена упомянутая зависимость для трех ор­ганизмов одного вида. При одних и тех же значениях экологиче­ского фактора К_эф1 для первого организма это будет оптимальная область, для второго и третьего — область угнетения.

Если значение экологического фактора возрастет до К_эф2, то это означает, что третий организм погибнет, а выживут первый и второй.

Таким образом, все живые организмы, для того чтобы обес­печить устойчивое существование и воспроизводство в условиях изменяющихся экологических факторов, должны существовать группами, которые называются популяциями.

В научной литературе существует немало понятий термина «популяция». Микробиологи, генетики, биологии вкладывают свои, зачастую различные представления в этот термин. На наш взгляд наиболее полной является следующая формулировка. По­пуляция — это любая совокупность особей одного вида, способ­ных обмениваться генетической информацией, обладающих всеми необходимыми условиями для поддержания своей численности и существующих неопределенно длительное время на данной территории (В.В. Маврищев, 2000).

Каждый вид состоит из одной или нескольких популяций. Она имеет возрастную структуру и определенное отношение полов (не равное 1:1), зачастую сложную пространственную структуру, подразделяющуюся на иерархические группы: географические популяции, экологические (местные) популяции и микропопуляции.

В результате хозяйственной деятельности человека образо­вались природно-антропогенные популяции. Например, популя­ция колорадского жука в Беларуси связана с выращиванием картофеля. В местах обитания человека, размещения отходов жизнедеятельности возникают популяции грызунов и насекомых (мухи, тараканы, мыши, крысы и т.д.). Они могут быть возбуди­телями и переносчиками опасных инфекционных заболеваний, т.е. выступать в качестве опасных экологических факторов.

В последнее 100- 150 лет человек оказывает существенное влияние на многие природные популяции, причем, как правило, в сторону уменьшения их численности. При низкой численности популяций уменьшается вероятность скрещивания, ухудшаются показатели естественного отбора. Это относится как к животному, так и растительному миру.

Виды, находящиеся под угрозой исчезновения, заносят в особые перечни — Красные книги. Эти виды находятся под осо­бой охраной государств и международных организаций.

Лекция № 5. Биотические сообщества в структуре экосистем

Учение о биоценозах. Видовое разнообразие биоценоза. Пространственная структура биоценоза (ярусность и мозаичность). Краевой эффект. Экологическая ниша. Взаимоотношения организмов в биоценозе. Трофическая структура биоценоза. Пищевые цепи и трофические уровни. Автотрофные и гетеротрофные организмы. Экологические пирамиды.

экосистема как основная единица функционирования живой природы. Стратегия развития экосистем. Структурные компоненты экосистемы. Материальные и энергетические потоки в экосистемах. Биологическая продуктивность экосистем. Продуцирование и разложение в природе. Динамика и стабильность экосистем. Циклические и направленные изменения в экосистемах. Экологические сукцессии, флюктуации. Гомеостаз экосистемы.

Понятие биогеоценоза. Теория биоценологии по В.Н.Сукачеву. Агроэкосистемы, их особенности.

В процессе жизнедеятельности различные популяции, засе­ляющие общие места обитания, неизбежно вступают во взаимоот­ношения. Это связано с питанием, совместным использованием жизненного пространства и др. В результате формируются много­видовые сообщества — биоценозы (греч-bios — жизнь, coenosis — общий). Биоценоз — это сочетание популяций растений, жи­вотных, микроорганизмов, взаимодействующих друг с другом в пределах данной среды обитания и образующих тем самым осо­бую живую систему со своим собственным составом, структурой, взаимоотношениями со средой, развитием и функциями. Это определение принадлежит американскому экологу Р. Уиттекеру и считается наиболее полным.

Биоценоз представляет собой эволюционно сложившуюся форму организации живых организмов биосферы. Он является открытой системой и не занимает четко ограниченных областей. Зачастую различные биоценозы настолько переплетены, что опре­делить их границы принципиально невозможно.

Каждому биоценозу соответствует зона с однородными абио­тическими экологическими факторами, называемая биотопом (греч. topos — место). Иногда биотоп отождествляют с местооби­танием. Но биотоп является более широким понятием — это абиотическая среда биоценоза. В биоценозе устойчивые взаимоот­ношения осуществляются только на уровне популяций, входящих в состав данного биоценоза. При этом имеют место следующие важные взаимоотношения:

1. пищевые — питание одних видов другими, конкуренция за источники питания и др.;

2. пространственные — распределение в пространстве, конкуренция за местообитание и убежища;

3. средообразующие — формирование определенной структуры биотопа, микроклимата и пр.

4. Стабильность данных взаимоотношений является результа­том длительных взаимоадаптаций. Результатом таких взаимоот­ношений является возможность поддержания основной функции биоценозов — осуществление и стабильное поддержание биоген­ного круговорота веществ.

Литовский эколог Э. Лекявичус, рассматривая биоценоз как кибернетическую систему, отметил, что целостность биоценозов поддерживается сложившимися информационными связями. В каждом биоценозе постоянно функционируют два основных ин­формационных канала. Один канал обеспечивает устойчивое су­ществование и воспроизводство популяций конкретных видов. Второй канал обеспечивает связь между популяциями внутри биоценоза, связывая биоценоз в единое целое и координируя функции популяций. Этим обеспечивается выполнение функции биоценоза.

Учитывая такой подход, русские и белорусские экологи оп­ределяют биоценоз как исторически сложившуюся совокупность всех популяций, принимающих существенное участие в функ­ционировании данной экосистемы. Например, личинки комаров живут в водоемах и являются пищей для рыб, участвуя тем са­мым в жизнедеятельности данной экосистемы. Во взрослом со­стоянии эти популяции являются членами сухопутных биоценозов.

Поддержание структуры и функций биоценозов зависит от взаимодействий популяций и отдельных организмов, связанных в одну многомерную сеть. Уменьшение численности насекомоядных птиц из-за неумеренного использования ядохимикатов приводит к росту популяций насекомых и червей, поедающих листву и древе­сину деревьев. В результате гибнут целые участки леса.

По участию в биогенном круговороте веществ в биоценозе имеются три группы организмов.

1. Продуценты (производители) — автотрофные орга­низмы, способные производить (синтезировать) сложные органические вещества из простых неорганических соединений. Существует два вида таких организмов; фотосинтезирующие и хемосинтезирующие. Фотосинтезирующие организмы синтезируют органические соединения из СО₂, Н₂О и минеральных веществ, используя при этом солнечную энергию. К таким организмам относятся зеленые растения, водоросли и некоторые бактерии.

Хемосинтезирующие организмы осуществляют синтез орга­нических соединений за счет энергии, получаемой при окислении аммиака, сероводорода, железа и т.д. Хемосинтезирование имеет место в подземных условиях, в глубоководных зонах Мирового океана. По сравнению с фотосинтезом хемосинтез играет незначи­тельную роль в первичном производстве органических веществ, хотя роль этого процесса в круговороте химических элементов в биосфере весьма значительна.

Общее количество биомассы органического вещества, синте­зированного продуцентами, является валовой продукцией. Часть синтезированной биомассы в процессе жизнедеятельности расте­ний расходуется на собственные нужды. Оставшаяся часть назы­вается чистой продукцией, которая служит источником питания для организмов следующего трофического уровня (греч. trophe -пища, питание) - консументов.

2. Консументы— гетеротрофные организмы, питающиеся готовым органическим веществом (животные, значительная часть микроорганизмов, насекомоядные растения). Консументы образуют несколько трофических уровней (не более 3-4).

Консументы I порядка — организмы, являющиеся непосредственными потребителями первичной органической про­дукции. В общем случае это растительноядные животные (фито­фаги). Часть пищи они используют для обеспечения процессов жизнедеятельности. Оставшаяся пища трансформируется в новые органические вещества, называемые вторичной продукцией.

Консументы II порядка — это животные с плотоядным ти­пом питания (зоофаги). Как правило, к этой группе относят всех хищников не зависимо от того, является ли жертва фитофагом или зоофагом. Зоофаги характеризуются специфическими приспо­соблениями для питания. У многих зоофагов ротовой аппарат приспособлен к схватыванию и удержанию пищи, а иногда — к разрушению защитного покрова. В некоторых случаях способ добывания пищи крайне необычен. Например, хищные моллюски разрушают раковины жертв с помощью минеральных кислот, вырабатываемых специальными железами.

Консументы III порядка — это животные паразиты и сверхпаразиты (И.А. Шилов, 2000). В самом общем случае пара­зитизм отличается от хищничества тем, что паразит не убивает свою жертву (хозяина), а длительное время питается за его счет и проживает в нем или на нем. Например, рыбы-прилипалы, при­сасываясь к акуле, перемещаются вместе с ней в пространстве и питаются остатками ее пищи. К сверхпаразитам относятся те ор­ганизмы, хозяева которых сами ведут паразитический образ жизни.

3. Редуценты (лат. reducentis — возвращающий, восстанавли­вающий) или деструкторы — организмы, разлагающие мертвое органическое вещество и превращающие его в неорганические вещества (СО₂, Н₂О и др. минералы). К редуцентам относятся бактерии, грибы, простейшие, т.е. находящиеся в почве гетеро­трофные микроорганизмы. Упомянутые неорганические вещества могут снова вовлекаться растениями в круговорот веществ, тем самым, замыкая его.

В процессе питания энергия и вещество, содержащиеся в организмах одного трофического уровня, потребляются организ­мами другого уровня. Такой перенос энергии и вещества от про­дуцентов через ряд гетеротрофных организмов в процессе питания называется пищевой цепью (рис. 4).

Рассмотрим некоторые примеры. Простейшая океанская пищевая цепь содержит фитопланктон, планктонных ракообраз­ных и заканчивается китом, который добывает их из воды путем ее фильтрации. Интересна пищевая цепь лугового биоценоза. Ба­бочка, питающаяся нектаром цветка (первое звено), представляет собой второе звено в цепи питания и, в свою очередь, служит пи­щей для стрекозы. Стрекозу ловит лягушка, которая является добычей для ужа (пятое звено). Чаще всего кит и уж умирают естественной смертью и затем являются пищей для заключитель­ного звена цепи — редуцентов.

Деление биоценоза на трофические уровни представляет со­бой довольно упрощенную схему. В действительности взаимоот­ношения более сложные. Существует много видов со смешанным питанием. Они одновременно относятся к различным трофиче­ским уровням. Видовое разнообразие биоценозов — явление не случайное. Благодаря этому имеет место более полное использо­вание ресурсов на каждом трофическом уровне, чем обеспечивает­ся надежность и полнота биогенного круговорота веществ. В природе организмы, питающиеся одним видом пищи (монофаги), встречаются крайне редко. Немногочисленны и олигофаги, набор питания которых представлен небольшим набором видов.

Большинство консументов (полифаги) использует в пищу широкий набор кормовых объектов. В результате формируются пищевые сети, содержащие множество цепей питания (рис. 5). Этим обеспечивается непрерывность круговорота веществ, т.к. всегда возможны нарушения отдельных пищевых цепей.

Экологические пирамиды. Переход вещества и энергии с одного трофического уровня на другой связан с потерями. На ка­ждом трофическом уровне большая часть поглощаемой энергии используется на поддержание температурного баланса организма и на обеспечение протекания биохимических реакций в самом организме. Следующему организму в пищевой цепи будет переда­но примерно 10% энергии, полученной от предыдущего. Анало­гичные явления имеют место и при преобразовании биомассы.

Эта закономерность сформулирована американским зооло­гом Ч. Элтоном в 1927 г. и изображена графически в виде эколо­гических пирамид.

Различают три типа экологических пирамид: пирамида чи­сел, пирамида биомасс и пирамида энергий (рис. 6).

Пирамида чисел отражает численность организмов на каж­дом трофическом уровне. Б экологии эта пирамида используется редко из-за сложности, а порой и невозможности выбора мас­штаба.

Пирамида биомасс — это графическая модель последова­тельного расположения биомасс популяций естественных экологических систем на каждом трофическом уровне (проуценты, консументы I порядка и т.д.).

Пирамида энергий — численно характеризует энергетиче­ские процессы в пищевых цепях. Она позволяет подсчитать КПД каждого перехода потока энергии с одного трофического уровня на другой и КПД всей трофической цепи в целом.

Например, КПД перехода от продуцентов к фитофагам (рис. 6) равен всего 12,5%.

Известно, что максимальное значение КПД межуровневого перехода энергии может достигать 30%, но во многих случаях эта величина равна всего 1-2%. В 1942 г. Р. Линдеман сформулиро­вал закон, согласно которому только часть энергии (≈10%), по­ступившей на определенный трофический уровень биоценоза, передается на следующий уровень. Остальная энергия расходуется на обеспечение процессов жизнедеятельности организмов и в ко­нечном итоге превращается в тепловую энергию. Этим объясняет­ся ограниченное число звеньев (5-6) в пищевой цепи любых биоценозов.

Организмы, популяции, биоценозы не могут существовать без неорганической среды — биотопа. Для живых организмов это не только местообитание, но в той или иной мере «сырьевая ба­за». Таким образом, живая и неживая природа образуют единое целое. Это понимали ученые уже в глубочайшей древности. С развитием экологии как нау­ки встала необходимость в ее элементарной функциональной единице. Такая единица была предложена английским бота­ником А. Тенсли в 1935г. и получила название «экосисте­ма» (экологическая система).

Экосистемы являются элементарными составными частями биосферы. Тенсли считал, что экосистемы представляют собой основные природные единицы на поверхности Земли. Это комплекс живых организмов в сочетании с неживой природой и прису­щими ей экологическими фак­торами.

В современном понимании экосистема — это совокупность совместно проживающих популяций и неживой среды их обитания, взаимодействующих со средой таким образом, что поток энергии создает четко определенную трофическую структуру, видовое разнообразие и круговорот веществ внутри этой системы.

Академиком В. Н. Сукачевым (1942) создано учение о био­геоценозе как единстве биоценоза и его биотопа. По определе­нию В. Н. Сукачева: «Биогеоценоз — это совокупность на известном протяжении земной поверхности однородных природ­ных явлений (атмосферы, горной породы, растительности, живот­ного мира и мира микроорганизмов, почвы и гидрологических условий), имеющая свою особую специфику взаимодействия этих слагающих ее компонентов и определенный тип обмена вещества­ми и энергией между собой и другими явлениями природы и представляющая собой внутреннее противоречивое единство, на­ходящиеся в постоянном движении, развитии».

По мнению российского биолога академика И. А. Шилова, сущность понятий «экосистема» и «биогеоценоз» практически одна и та же, т.к. они в первую очередь характеризуют надвидовой уровень организации биологических систем. Такого же мне­ния придерживается и Ю. Одум.

Между тем сам автор учения о биогеоценозе считал, что межу упомянутыми понятиями есть сходство, но они не идентич­ны. По мнению Сукачева, понятие «биогеоценоз» носит физико-географические черты, а «экосистема» рассматривается в основ­ном с трофических позиций. При таком подходе экосистема и биогеоценоз совпадают на уровне растительного сообщества, на других трофических уровнях эти понятия расходятся. Тогда в целом биогеоценоз является частным по отношению к экосисте­ме.

Кроме того, в понимании некоторых авторов экосистема ох­ватывает пространство любой протяженности и размерности: от капли воды из пруда и горшка с цветком до океана и тропическо­го леса. На наш взгляд, это слишком вольное толкование такого фундаментального понятия, как элементарная единица биосферы. По мнению Ю. Одума, не любая комбинация «жизнь — среда» является экосистемой. Экосистемой могут считаться те объедине­ния, которые характеризуются стабильностью и обладают четко функционирующим круговоротом веществ. С этим трудно не со­гласиться, как и трудно согласиться с тем, что горшок с цветком является экосистемой.

Причиной такого разброса мнений, видимо, является то, что экология довольно молодая наука и многие понятия и термины еще не стали каноническими. Следует отметить, что существуют и другие синонимы эко­системы: микрокосм (Fords, 1887), голоцен (Friederichs, 1931), биохора (Palman, 1931), биосистема (Thienemann, 1941), экотон (Troll, 1950), сайт (Hils, 1968) и др. Эти синонимы практически не используются, а многие уже забыты.

С точки зрения термодинамики все экосистемы являются разомкнутыми (открытыми) термодинамическими системами, т.к. по отношению к любой экосистеме имеет место приток и отток энергии. Экспериментально подтверждено, что процессы в экоси­стемах подчиняются первому (закон сохранения энергии) и вто­рому (процессы направлены в сторону уменьшения свободной энергии) законам термодинамики. Кроме того, в экосистеме имеет место обмен веществом.

Из-за невозможности определения количества экосистем в биосфере, т.к. отсутствуют их четкие границы, экологи изучают в основном крупные экосистемы — биомы. «Биом — термин, обо­значающий крупную региональную или субконтинентальную био­систему, характеризующуюся каким-либо основным типом растительности или другой характерной особенностью ландшафта, например биом лиственных лесов умеренного пояса», - писал Ю.Одум.

Биом — это природная зона или область с определенными климатическими условиями, видами растений и животных, со­ставляющими географическое единство (В. В. Маврищев, 2000).

Определяющим фактором при выделении биомов является особенность растительности географического региона. Известно, что биомассу живого вещества биосферы в основном составляют растения (≈99%), причем тропический лес в биомассу растений вносит почти половину, хотя занимает всего около 7% площади поверхности суши. Вместе с тем пустыни и тундра занимают поч­ти 25% упомянутой площади, но их растительная биомасса менее 1%. Рассмотрим основные биомы.

Тундра. Расположена на Крайнем Севере между полярными льдами и тайгой. Основными лимитирующими экологическими факторами являются малое годовое количество осадков (около 250 мм), низкая температура, короткий сезон вегетации. Основ­ная растительность — карликовые деревья, травы, мхи и лишай­ники. Из-за наличия неблагоприятных экологических факторов животный мир здесь крайне беден. Основной представитель круп­ных животных - это северный олень. Более мелкие — заяц, лем­минг, мышь-полевка, песец, сова.

Тайга. Это один из самых обширных по территории биомов. Она занимает довольно большое пространство южнее тундры в Евразии и Северной Америке. Здесь преобладают вечнозеленые хвойные деревья: лиственница, ель, пихта, сосна. Лиственных пород значительно меньше. Животный мир более богат, чем в тундре: лоси, олени, медведи, волки, рыси и т.д. Многочисленны и грызуны. Здесь меньше неблагоприятных экологических факто­ров, поэтому флора и фауна значительно богаче, чем в тундре.

Лесистая умеренная зона. Этот биом характерен для Цен­тральной Европы, Восточной Азии и восточной части Северной Америки. Здесь достаточно влаги (800-1500 мм в год). Преобла­дают листопадные леса (дуб, бук, клен, береза, осина, граб), хотя вперемешку встречаются и хвойные — сосна, ель. В этой зоне находится наша страна — Республика Беларусь. Достаточно большую площадь занимают луга. Современная растительность в этом биоме сформировалась под непосредственным влиянием человека из-за многочисленных вырубок лесов и распахивания земель. Животный мир богат и разнообразен: лось, кабан, мед­ведь, волк, лисица, заяц и др. Много птиц — аисты, дятлы, си­ницы, дрозды, зяблики и т.д.

Степная умеренная зона. Степи занимают внутренние про­странства Евразии, Северной Америки и юга Южной Америки. Осадков здесь недостаточно (250-750мм в год), поэтому преобла­дает травянистая растительность. Деревья, в основном листвен­ные, встречаются редко. В Америке степи называются прериями, почти все они распаханы или заняты культурными пастбищами. Диких животных в этой зоне сохранилось мало, в основном встречаются одомашненные коровы, лошади, овцы, козы.

Биом средиземноморского типа (чапараль). Здесь мягкий климат с дождливой зимой и зачастую сухим летом. Это Среди­земноморье, Мексика, Калифорния, Южная Америка и Австра­лия. В этом биоме преобладает жестколистная растительность: пальмы, эвкалипты, кустарники. Из животных встречаются оле­ни, кенгуру (Австралия), кролики, древесные крысы, бурундуки.

Пустыни. Этот биом характерен для засушливых и полуза­сушливых зон с количеством осадков менее 250 мм в год. Пусты­ни занимают почти 20% площади поверхности суши. Растительность крайне бедная и редкая при обилии песка, камней и скал. Например, в Сахаре 20% занимают пески, остальное — галька, скалы, камни и солончаки. Беден в пустынях и живот­ный мир. Животные выживают, поедая водозапасающие расте­ния. Из крупных животных там может проживать только верблюд, т.к. он может потреблять про запас достаточно большое количество воды. Мелкие животные от жары прячутся под кам­нями или в норах.

Тропические саванны. Наиболее типичные саванны нахо­дятся в Центральной и Восточной Африке, а также в Южной Америке и Австралии. Характерный признак данного биома — высокая трава с редкими деревьями (баобабы, акации, древовидные молочаи). В саваннах Африки пасется большое количество травоядных животных — слоны, буйволы, жирафы, антилопы и т.д., обитает множество птиц. Немало и хищников (львы, леопарды).

Тропические леса. В данном биоме наибольшая разнообраз­ность форм жизни. Один гектар леса вмещает до 42 тыс. насеко­мых, более 700 видов деревьев и более 1500 других видов живых организмов. Тропические леса занимают области в бассейнах рек Амазонки и Ориноко в Южной Америке, Конго, Нигера и Замбези в Африке, остров Мадагаскар, Индо-Малайскую область и Новую Гвинею. В Америке эти леса называют сельвой, в других облас­тях — джунглями.

Для тропических лесов характерны постоянно выпадающие осадки и достаточно стабильный температурный режим со средне­годовой температурой около +26°С.

Растительность тропического леса многоярусная и представ­ляет собой сплошную стену растений. Деревья верхнего яруса достигают 75 м. Множество лиан переплетают стволы и кроны деревьев, площадь фотосинтезирующей поверхности растений на 2..3 порядка превосходит площадь занимаемой ими поверхности суши. Это исключительно эффективная естественная фабрика по производству кислорода, работающая круглый год. К сожалению, тропические леса интенсивно вырубаются, их площадь ежегодно сокращается на 11-15 млн. га. Действительно, человечество «ру­бит сук, на котором сидит».

Лекция № 6. Учение о биосфере

Биосфера – глобальная экосистема земли. Учение В.И.Вернадского о биосфере. Состав и границы биосферы. Биологическое разнообразие как основа стабильности биосферы. Классификация природных экосистем биосферы (наземные биомы, пресноводные и морские экосистемы). Целостность биосферы как глобальной экосистемы.

Круговорот веществ в природе. Основные глобальные биогеохимические циклы биогенных веществ в биосфере.

Живое вещество планеты. Функции живого вещества. Биологическое разнообразие как основа стабильности биосферы. Проблема сохранения биологического разнообразия планеты. Понятие ноосферы по В.И.Вернадскому. Техносфера. Исторические изменения в биосфере. Масштабы и последствия загрязнения биосферы. Понятие и причины экологического кризиса.

Один из самых сложных вопросов мироздания — каким об­разом и при каких условиях из неживого вещества возникло жи­вое и что такое живое вещество?

Давайте, прежде всего, определим, что такое «живое веще­ство»? Многие ученые определяют живое вещество как сложные молекулярные объединения, обладающие упорядоченным обме­ном веществ. Но и у некоторых растворов наблюдается обмен ве­ществ в простейших формах. Поэтому сво­дить сущность жизни только к обмену ве­ществ, видимо, нельзя.

В основе жизнедеятельности любого организма лежит система взаимосвязанных химических реакций: окислительных и восстановительных. Окислительные реакции приводят к разрушению структуры организма. Очевидно, что для существования организма необходимо восстановление разрушенных структур. В основе воспроизводства лежит синтез белков, происходящий в клетках организма с помощью нуклеиновых кислот ДНК и РНК (ДНК — дезоксирибонуклеиновая, РНК — рибонуклеиновая кислоты). Белки — это сложные макромолекулы, структурными элементами которых являются аминокислоты. Известно более 100 аминокислот, но в белках практически всех организмов используется только 20 аминокислот.

Нуклеиновые кислоты, по сравнению с белком, имеют более простую структуру. Они образуют длинные полимерные цепи, мономерами которых являются нуклеотиды — химические соединения трех ве­ществ: азотного основания, углевода и фос­форной кислоты.

ДНК любого живого вещества обра­зованы соединением 4 видов нуклеотидов (рис. 7): аденина (А), гуанина (Г), тимина (Т), цитозина (Ц). Соединение нуклеотидов в цепи происходит через углевод одного нуклеотида и фосфорную кисло­ту другого (рис.2.1). Описанное выше строение молекулы ДНК определили в 1953 г. английский биолог Ф. Крик и американ­ский биохимик Д. Уотсон. Каждая из нитей соединяется с другой водородными связями, а каждая связь попарно соединяет либо А одной цепи с Т другой, либо Г — с Ц.

Открытие Ф. Крика и Д. Уотсона является фундаментом молекулярной биологии. Дальнейшие исследования показали, что основной функцией ДНК является управление строительством (синтезом) молекул белка по определенной программе. Такую закодированную программу в двойной спирали ДНК первым увидел в 1954 г. американский физик Г. Гамов. Он рассуждал следующим образом. Все белки состоят из комбинаций 20 аминокислот, а в ДНК чередуются че­тыре нуклеотида. Если предположить, что каждой аминокислоте соответствует определенная комбинация (определенный порядок чередования) нуклеотидов, то каждой аминокислоте должно соот­ветствовать сочетание трех нуклеотидов из четырех, т.к. при этом число возможных комбинаций равно 64 (необходимо 20 комбина­ций по числу используемых аминокислот).